ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МИНЕРАЛЬНОГО ПРИРОДНОГО

УДК 621.744.33: 628.381.4
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МИНЕРАЛЬНОГО ПРИРОДНОГО
АДСОРБЕНТА ВОЛГОГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ
ДЛЯ ДООЧИСТКИ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ СТОКОВ
VOLGOGRAD DISTRICT NATURAL MINERAL ADSORBENT
USE FOR CATTLE-BREEDING DRAINS AFTERPURIFICATION
А.С. Овчинников, доктор сельскохозяйственных наук, профессор
В.В. Якубов, кандидат технических наук, доцент
Д.Б. Марисов, инженер
Конт. т. 8 8442 411784
ФГОУ ВПО Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия
A.S. Ovchinnikov, V.V. Yakubov, D.B. Marisov
Volgograd state agricultural academy
Разработка научных основ применения местных минеральных адсорбентов для доочистки сточных вод с
минимальными затратами с целью их использования при поливе сельскохозяйственных культур в условиях
Волгоградской области. Представлены результаты исследований статической и динамической объемной емкости
адсорбции аммиака на опоках М4.
Development of scientific bases of application local mineral adsorbent for additional afterpurification cleaning sewage
with the minimal expenses with the purpose of their use at поливе agricultural crops in conditions of the Volgograd area. Results
of researches of static and dynamic volumetric capacity of adsorption of ammonia on flask М4 are submitted.
Ключевые слова: сточные воды, цеолитовые загрузки, статическая и динамическая
обменная емкость цеолита.
Key words: sewage, zeolite loads, zeolite static and dynamic exchange capacity.
Отходами сельскохозяйственного производства являются сточные воды, в том
числе и осадки сточных вод (ОСВ). В крупных городах, небольших населенных пунктах
сельской местности, а также на сельскохозяйственных предприятиях России
(животноводческие фермы, птицефабрики, перерабатывающие с.-х. предприятия)
обработка и утилизация сточных вод порождает массу проблем и является весьма
энергоемкой. Основное количество сточных вод при незначительной обработке в течение
десятков лет сбрасывалось в водоемы, естественные овражно-балочные проемы или
подземные пустоты.
Биогенные вещества, содержащиеся в сточных водах, при поступлении в
поверхностные водоемы или на почвенный ландшафт наносят значительный ущерб
экологической системе любого региона, поэтому очистка этих вод от соединений, в
частности азота, и последующая трансформация этих соединений в органические
удобрения для использования в оборотном сельскохозяйственном цикле особенно
актуальна. Наряду с этим, осадки сточных вод содержат большое количество
органических веществ и питательных элементов, легко переходящих в доступные для
растений формы, могут служить ценным сырьем для получения органических
удобрений. Использование осадков сточных вод в земледелии в виде органического
удобрения способствует предотвращению загрязнения окружающей среды,
уменьшению потребности в удобрениях, улучшению структуры почвы, повышению
сохранности влаги и плодородия.
Однако основным фактором, сдерживающим применение ОСВ в
растениеводстве, является наличие в них солей тяжелых металлов, влияние которых
на почву, растения и безвредность продуктов мало изучено. Следовательно, для
оптимального решения данного вопроса имеется ряд трудностей и много еще
неразре-шенных задач. Для правильного использования животноводческих сточных
вод в качестве удобрений, необходимо в каждом конкретном регионе организовать
всестороннее изучение их химического состава, определить влияние ОСВ на
плодородие почв, урожай и качество сельскохозяйственных культур. Применение
(местных) минеральных адсорбентов в качестве доочистки животноводческих
сточных вод может решить несколько задач в орошаемом земледелии, это
утилизация сточных вод с одновременной органо-минералогической добавкой в
качестве удобрения. Разработка научных основ применения минеральных
адсорбентов для очистки сточных вод с целью их использования при поливе
сельскохозяйственных культур в условиях Волгоградской области – главная цель
наших исследований.
Аналитический обзор существующих методов очистки сточных вод и их физикохимических характеристик позволил составить квалификационную схему (рис.1) методов
очистки, применяемых в России и за рубежом.
Для проведения исследований был выполнен независимый анализ сточных вод до и
после биологической очистки свиноводческого комплекса ЗАО «Краснодонское» (р.ц.
Иловля Волгоградской области). При очистке сточных вод на предприятии применяют
механический метод – решетки, где производится разделение общих стоков, поступивших на
очистные сооружения, далее сточные воды поступают в отстойник, где производится
отстаивание и выделяется первый избыточный ил, который, как и активный ил, поступает на
поля фильтрации. Жидкая фракция поступает на биологическую очистку в аэротенки. После
прохождения биологической очистки стоки поступают в биологические пруды, откуда вода
подается затем на орошение площадей, отведенных для выращивания технических культур.
Качество отводимых вод представлено в таблице 1.
Таблица 1 – Физико-химические показатели состава сточных вод
Показатели
После биологической
очистки, мг/дм3
Допустимые
концентрации
загрязняющих
веществ, мг/дм3
Минерализация воды
1719
440,02
Сульфаты
1115
100
Хлориды
306
300
Взвешенные вещества
131
215
Соли аммония
25,3
19
Железо общее
2
0,25
БПК-5
60
236
Нитриты
32,5
1
Нитраты
46
9,1
Фосфаты
3,7
6,8
Марганец
Менее 0,005
0,02
Анализ полученных данных показал:
1) при очистке сточных вод наблюдается значительное выделение из них ПАВ в
виде пены, которые присутствуют в избыточном иле меньше ПДК, причиной их наличия
могут выступать как используемые при уборке моющие средства, так и окислительновосстановительные процессы, протекающие в первичном отстойнике;
2) повышенный водородный показатель рН очищенных сточных вод, азотистых
соединений, минерального состава, общего железа и сульфатов;
3) наблюдается увеличение сульфатов в процессе биологической очистки,
соответственно, это способствует увеличению сухого остатка;
4) существующая технология очистки сточных вод не снижает аммонийный азот
до необходимых норм из-за повышенного содержания органических соединений в
свиноводческих стоках.
На наш взгляд, все вышеперечисленные недостатки в существующей технологии
очистки стоков могут быть решены с применением дополнительной доочистки на
контактном циркуляторе с минеральным адсорбентом (ЦСП). Этот блок планируется
включить между аэротенком и устройством биологической очистки, тем самым ускорить
процесс нитрификации на активном адсорбенте. Экономические затраты от нововведения
незначительные, поскольку не нарушается технологическая схема очистки стоков, а
установленный блок будет служить только ускорителем процесса.
Для решения поставленных задач нами проведены лабораторные исследования по
выбору марки ЦСП (минеральных адсорбентов) и изучены их основные параметры.
Оценка применимости данных опок проводилась совместно с ФГУП «ЦНИИгеолнеруд»
(г. Казань). Изучение пористой структуры опок проведено в Некоммерческом
партнерстве «Национальное цеолитное объединение» (г. Москва).
По данным рентгенографического количественного фазового анализа опока
сложена
преимущественно
минералами
кремнезема:
опал-кристобалиттридимитовой фазой – 67 % (в т.ч. опал 36 %, кристобалит 6 %, тридимит 25 %) и
рентгеноаморфной кремнистой фазой – 15 %. На глинистые минералы приходится 13
% и обломочный кварц – 5 %.
Химический состав опок отражает их минеральные составляющие: силикатную (ОКТфаза, рентгеноаморфная фаза, кварц) и алюмосиликатную (глинистые минералы) (%): SiO2 –
85,32; TiO2 – 0,32; А12О3 – 5,35; Fe2O3 – общ. 2,29; МпО – 0,01; MgO – 0,69; СаО – 0,69;
Na2O – 0,18; К2О – 0,96; Р2О5 – 0,03; SO3 – 0,03; потери при прокаливании (вода) – 4,03.
Общее содержание аморфного кремнезема, определенного химическим методом,
составляет 75,71 %. Обменная емкость природных сорбентов может указывать на их
способность к улавливанию из питьевых и сточных вод ионов аммония, тяжелых, цветных и
радиоактивных металлов. У опок пробы М-4 она 21,1 мг-экв/100 г и обусловлена,
главным образом, глинистыми минералами (монтмориллонитом). Эффективная удельная
активность ЕРН опоки пробы М-4 составляет 82 Бк/кг, что не превышает
регламентируемые Нормами радиационной безопасности (НРБ-99) и СП 2.6.1.798-99
параметры для минерального и строительного сырья. Для опоки пробы М-4
адсорбционно-структурными
параметрами
являются
следующие:
статическая
влагоемкость при относительных давлениях водяного пара 0,11; 0,47 и 0,98 составляет
соответственно 0,89; 3,5 и 18,38 % – вес; определенные по титрованию водой плотность –
1,99 г/см3, объемная масса – 0,85 г/см3, суммарный объем пор – 0,68 см3/г, пористость – 57
%; определенные по азоту удельная поверхность пор – 114 м2/г, удельная поверхность
микропор – 12 м2/г, объем пор – 0,212 см /г, объем микропор – 0,004 см3/г и диаметр мезопор –
120 А. Физико-механические параметры опоки М-4: насыпная плотность – 0,73 г/см3,
истираемость – 0,49 %, измельчаемость – 0,4 %, водостойкость: без кипячения – 98,7 %, с
кипячением – 98,3 % и виброизнос – 0,22 %
Статическая объемная емкость (СОЕ) (рис. 2) адсорбентов и их возможных
модификаций определялась в статических условиях при соотношениях твердой и жидкой
фазы как 1:50, 1:100. Опыты проводили до ионообменного равновесия по ионам NH+4
между адсорбентом и раствором.
Стабилизация концентрации в статических эксперентах не наблюдалась, но при
подаче воздуха в исходные растворы с интенсивностью 5 л/мин. было очевидно, что в
растворах начинают происходить аэробные процессы, которые доводят в дальнейшем
значения БПК и ХПК до требований СанПиН.
Согласно полученным данным, наблюдается равновесное состояние для данных
фаз, т.е. происходит возврат извлекаемого вещества в раствор. Таким образом, определено
время насыщения в статических условиях, оно было выражено линейной зависимостью y
= 0,1159x + 0,6184 (рис. 3).
Рисунок 2 – Статическая объемная емкость на опоках ионов аммония
3.000
2.500
С исх/С рав
y = 0.1159x + 0.6184
2.000
1.500
1.000
0.500
0.000
0
2
4
6
8
10
12
14
Т, ч
С1/С2
0,38
0,51
0,58
0,68
0,71
0,72
0,39
0,79
0,63
0,4
0,53
0,85
0,974
0,646
0,921
1,700
1,340
0,847
100
100
50
100
25
100
Эквив.
СОЕ
рН
Темпер.
С2
Объем
С1
Масса
Рисунок 3 – Зависимость относительной концентрации к времени наступления
равновесной концентрации
Таблица 2 – Динамическая объемная емкость (ДОЕ)
адсорбции аммиака на опоках
Степень
очистки
45,45
45,45
22,73
45,45
11,36
45,45
4,5
4,5
4,5
4,5
4,5
4,5
-0,020
-0,573
-0,102
0,573
0,368
-0,266
9,37
9,48
9,33
9,37
9,43
9,42
22
22,5
21,4
22
21,6
22,1
2,6
54,9
8,6
41,2
25,4
18,1
0,75
0,95
0,97
1,2
1,3
1,6
0,79
0,73
0,53
0,76
0,71
0,63
0,949
1,301
1,830
1,579
1,831
2,540
25
50
50
50
25
25
11,36
22,73
22,73
22,73
11,36
11,36
4,5
4,5
4,5
4,5
4,5
4,5
-0,082
0,450
0,900
0,900
1,207
1,984
9,45
9,15
9,14
9,17
9,16
9,2
21,2
21,3
21,4
21,8
21,4
21,6
5,3
23,2
45,4
36,7
45,4
60,6
В связи с данной схемой выработана технологическая схема (представлена в
сокращенном варианте) доочистки сточных вод свиноводческих комплексов на полив
(рис. 4).
Рисунок 4 – Технологическая схема доочистки свиноводческих стоков
Выводы
1. Коэффициенты фильтрации для опок М-4 Волгоградской области составляют 44,6
м/сут, а для М-3 – менее 0,001 м/сут. Рекомендуются к использованию в качестве
фильтрующей загрузки опоки марки М-4.
2. Для стабилизации показателей БПК и ХПК сточной воды на биофильтрах
необходимо проводить предварительную аэрацию потока.
3. Фильтроцикл биофильтров составляет от 12 до 48 часов.
4. Регенерацию фильтрующего слоя следует проводить 5 % – раствором
поваренной соли в течение 15-30 мин.
5. При выполнении вышеуказанных условий очищенная вода свиноводческих
комплексов может быть использована для полива сельскохозяйственных культур.